令和3年度 地熱井掘削監督者養成講座

掘削技術概論2022年2月
エスケイエンジニアリング株式会社
日野 智之

はじめに一般的な話として地熱井の有効寿命は20年から30年と言われています。
特に地熱発電所を運営する事業者にとっては、坑井の健全性を維持することは重大な課題になります。
地熱井の健全性を維持するには、高温、腐食性流体などの地域毎の環境・特殊性を十分に考慮した坑井の設計が必要となります。
今年度の地熱井掘削監督者養成講座では、JOGMEC様よりケーシング圧壊事例・防止対策、特に「2重管にトラップされた水の膨張によるケーシングの圧潰」に関することを題材に入れて欲しいとの要望が御座いましたので、本件に焦点を絞ってお話をさせて頂くこととしました。

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1. ケーシング損傷の種類と原因(1) ケーシング損傷の種類と原因(一般的)■ ケーシングのリーク(原因)⚫ 不適切なケーシングの締め付け⚫ ドリルパイプとの摩擦、ケーシング内での研磨性の高いスタビライザーの使用、生産に伴うコロージョンもしくはエロージョンによる減肉■ ケーシングの破断、破裂(破断の多くは接続部が多い)(原因)⚫ ケーシングの減肉⚫ 過剰な内側からの圧力⚫ 高い引張荷重⚫ セメンチング中のプラグバンプ時の強い衝撃⚫ 温度上昇によるケーシングの伸び■ ケーシングの圧潰(原因)⚫ ケーシングの減肉⚫ 過剰な外側からの圧力⚫ 過剰な内圧加圧⚫ 高い引張荷重⚫ ２重管部にトラップされた水の膨張

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ケーシングの圧潰

ケーシングの破断

ケーシング圧潰写真2

2. 2重管部にトラップされた水の膨張の影響(2) ウオーター トラップ
地熱井では生産中の温度上昇により二重管アニュラス部にトラップされた泥水や水の圧力が増加し、内側のケーシングが圧潰したり変形するというトラブルがしばしば発生している

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2. 2重管部にトラップされた水の膨張の影響(3) 温度上昇(変化)による水の圧力上昇について温度上昇ΔT(℃)による水の圧力上昇ΔP(MPa)は以下の式で求める事が出来る
ΔP(MPa) = 体積膨張率(1/℃) x ΔT(℃) x 体積弾性係数⚫ 水の体積膨張率(1 x 10-3/℃ @20℃)
20℃

50℃

100℃

120℃

150℃

175℃

200℃

0.207

0.457

0.751

0.856

1.030

1.190

1.387

⚫ 水の体積弾性係数:約2,000～2,400MPa(圧力 20MPa、温度 100℃までの範囲)
温度上昇 50℃ ⇒ 120℃ による圧力上昇の試算
体積膨張率を50℃・120℃の荷重平均 0.66 x 10-3、体積弾性係数を2000MPaと仮定すると、ΔP(MPa) = 体積膨張率(1/℃) x ΔT(℃) x 体積弾性係数= 0.66 x 10-3 x (120 – 50) x 2000

= 92.4MPaと非常に大きな影響がある
92.4MPaSK Engineering Co., Ltd.

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2. 2重管部にトラップされた水の膨張の影響(4) ケーシングの圧潰耐力

47# L8047# J55

92.4MPa

53.5# HC140

圧潰耐力 90MPa以上のケーシングは一般的では無い為、2重管部にウォーター トラップを作らない事が重要
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3. ウオーター トラップによるケーシング圧潰防止(努力)(1) ウオーター トラップが出来る要因
多くの地熱井のケーシングとライナーストリングは全長に渡ってセメントで固められていますが、セメンチングが上手く行ったとしても、ケーシングの外側に液体が残りウオーター トラップが形成してしまうことがある⚫ フリー ウオーター(遊離水)：セメント シックニング
タイム中に、セメントスラリー(セメント/水混合物)
は比重差による沈殿により流体が分離しセメントカラムの上に移動する。地層と接している場合は地層に逃げるが不浸透性の地層部や２重管の場合の場合逃げ場が無い、また、移動中にセメントが固化することで流体がトラップする。

⚫ 泥水からセメントへの置換が不十分：セメンチング前の泥壁の除去が不十分、ケーシングのセントラライズが不十分等⚫ 特にケーシング管内、不浸透性の地層部ではセメントは収縮(条件にもよるが0.5 - 5%程度)が起き、隙間が形成される。

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3. ウオーター トラップによるケーシング圧潰防止(努力)(1) ウオーター トラップによる圧潰を回避するための措置(努力)ウオータートラップを含む外圧上昇によるケーシングの圧潰リスクを軽減する対策は以下が挙げられる① セメンチングの改善(= ウオータートラップの形成を減ずる措置）② ケーシング/ライナー プログラム・デザイン(= ウオータートラップによる圧潰を軽減する措置）③ 生産開始までの手順(2) セメンチングの改善
本件については、セメンチングに特化した講座があるため割愛する(3) ケーシング / ライナー デザイン
① フルストリングでは無くライナーの採用⇒ ２重管部を可能な限り短くするケーシング プログラム② 内側のケーシングの圧潰耐力 ＞外側のケーシングの内圧耐力のケーシングの選定③ 地層への逃げ道が出来やすいプログラム

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3. ウオーター トラップによるケーシング圧潰防止(努力)(4) ライナー選定時の対策

オーバーラップ部を短く(セメントカラムも短く)することで圧力が坑内に逃げ易くしてあげる

地層への逃げ道を予め作っておく

オーバーラップ部にセメントの無い区間を設け、外側のケーシングの内圧耐力が内側のケーシングに圧潰耐力より小さい物を採用する、もしくはラプチャーディスクを設置する・ライナーを採用した場合の短所を理解しておく必要がある- カッティングスが揚がり辛くなる- タイバックを検討する必要がある⇒ ライナーハンガー(セメンチング機器含む) + タイバックステム(セメンチング機器含む)- セメンチング自体の難易度が高くなる
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3. ウオーター トラップによるケーシング圧潰防止(努力)(5) 温度上昇が間隙にセメントが無い区間のケーシングに及ぼす影響温度上昇によるバックリングの影響はかなり大きいので注意が必要である。
下表は温度変化によるケーシングの伸びと圧縮荷重を計算したものの一覧であるが、この結果からケーシングがセメントでサポートされてない区間長が長くなるほど温度上昇によるケーシング伸びの影響で大きなストレスが生じることが分かる。
温度変化を考慮したケーシング材質の選定、セメンチング計画の策定が必要

温度変化によるケーシングの伸びと圧縮荷重を計算したものの一覧
9-5/8”ケーシング 43.5ppf 12-1/4”坑
フリー ケーシング長= L(m)SK Engineering Co., Ltd.

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3. ウオーター トラップによるケーシング圧潰防止(努力)(6) 高圧潰耐力を有するケーシングのコストインパクト
NK-140 53.5#
HC-140 53.5#
HC-125 53.5#
HC-110 53.5#
HC-95 53.5#
HC-80 53.5#
AC-110 53.5#
AC-95ST 53.5#
AC-95 53.5#
AC-90 53.5#
AC-80T 53.5#
AC-80 53.5#
Q-125 53.5#
P-110 53.5#
T-95 53.5#
C-95 53.5#
C-90 53.5#
L-80 53.5#
N-80 53.5#
J-55 53.5#
HC-140 47#
HC-125 47#
HC-110 47#
HC-95 47#
HC-80 47#
AC-110 47#
AC-95 47#
AC-80T 47#
AC-80 47#
P-110 47#
C-90 47#
L-80 47#
N-80 47#
J-55 47#

0

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0.5

1

1.5

2

2.5

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4. ケーシングの補修方法(1) ケーシングトラブルの特定
ケーシングトラブルを解決するには、以下の点を特定する必要がある⚫ トラブルが起きている深度⚫ トラブルの種類⚫ ケーシング外側の状況(セメントされている？ボンディングは良好か？回収可能か？)(2) ケーシングトラブルの特定方法- ケーシングの圧潰が疑われる場合① ビットやミルが停止する深度、またはストリングを降下し負荷の有る深度を測定する② インプレッションブロックを降下して、圧潰度合い(寸法)を取得する- ケーシングの破断が疑われる場合(ケーシングの圧潰が疑われる場合を同様の調査を実施したうえで)① リトリーバブル パッカー等を使用して破断深度を調査する② ケーシング インスペクション ツールを使用して破断部近傍の肉厚測定を実施する③ ダウンホール ビデオカメラを使用して分割具合を調査する

マルチ フィンガー キャリパー(ケーシング インスペクション ツールの種類)
・メカニカル キャリパー：パイプの内面にある、穴、割れ、膨らみ、凹みを検出
・超音波ツール：ケーシングの肉厚測定
・電磁ツール：ケーシングの肉厚測定
これらのツールはすべてワイヤーラインでの測定となるが、パイプの内面をクリーニングするために事前にスクレーピングが必要となる

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4. ケーシングの補修方法(3) 補修方法- 圧潰ケーシングの補修
圧潰の程度補修に使用するツール

ちょっとした圧潰の場合

ケーシングローラー

圧潰が顕著な場合

スエッジ

ケーシングローラー、スエッジで修正が出来ない場合

ストリングミル & ケーシングリペア ツール- 破断ケーシングの補修
ケーシング破断の状態

補修方法

ケーシング破断上部にセメントが無い

エクスターナル ケーシングパッチ

ケーシング破断上部にセメントが有る

インターナル ケーシングパッチ

破断

ストリングミル & ケーシングリペア ツール※ エクスターナル / インターナル ケーシングパッチは耐熱性が低く地熱の生産井には不向きである

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4. ケーシングの補修方法(3) 補修方法

ケーシング ローラー
ROGAN社カタログより抜粋① ケーシングローラーによる補修
ケーシングローラーは圧潰の度合いが極めて小さい場合に使用するツールで、ケーシングを元の内径に修正する。ツールはローラーとテーパーノーズコーンで構成され、マンドレルに取り付けられている。ツールを回転させることで、一つのローラーケーシングに当たると同時に一方のローラーが反対側のケーシングに当たり叩きながら元の形状に戻す。
(作業方法)
・循環を継続し、ストリングを回転させながら圧潰部に当たるまでゆっくり降下する・圧潰部に接触したらロータリースピードを50-75rpmにしてゆっくり降下・ストリングを止められない程度のWOBに調整・負荷が無くなる(ケーシングの修正が終わる)まで降下を継続する

基本的なスエッジ編成② ケーシング スエッジによる補修
スエッジはアイスクリームコーンの様な形状をし、長い先細りのノーズを押し付け・叩くことで狭まったケーシング内径を広げていく。一般的には1/4”毎に違ったサイズのスエッジの降下を繰し徐々に内径を広げていく。
ケーシング スエッジ
(作業方法と注意事項)
・坑内の遺物(砂やデブリ)が溜まる事を防ぐため循環する・圧潰部に接触したらバンパージャーを作動させる
・絶対はジャーは変形部の下まで下げないこと・スエッジの外径は1/4”毎大きくすること

ドリルカラー

オイルジャー

バンパージャー

ドリルカラースエッジ
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4. ケーシングの補修方法
アライメントツール編成(3) 補修方法③ ケーシングミルとケーシングアライメント ツールによる補修
ケーシングローラーやスエッジで補修出来ない場合はケーシングをミルして補修する必要がある。この作業ではケーシングの芯を出すレースジョイントとストリングミルを使用して分断されたケーシングを補修する
ストリング ミル
(作業方法)
・フルゲージのストリングミルを準備する
・循環をしながら破断深度まで降下する

レースジョイントの循環口から出る流体の力がレースジョイントの芯を移動させ、破断下部のジョイントへの挿入を助ける

ドリルカラー

ストリングミルドリルカラー

レース ジョイント

レース ジョイント

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4. ケーシングの補修方法(3) 補修方法③ ケーシングミルとケーシングアライメント ツールによる補修

セメントリテーナー

ケーシング リペア ツール

負荷なく上下出来るまでストリングミルで圧潰部、もしくは破断部をミリングする

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負荷なく上下出来るまでストリングミルで圧潰部、もしくは破断部をミリングする・分断されたケーシングの間にケーシングリペア ツールをセットする。
・セメントを送入し、3.5MPa x 10min圧力を保持する・破断部にセメントが設置される・ビットでセメントとケーシング リペアツールを浚う

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最後に構造試錐の様な試掘井は、同地域で初めて深部の調査をする坑井であり、すべて予測のなかで計画されています。
つまり最適な掘削計画に必要な温度環境、ポテンシャルハザード、腐食性の高いガス・流体の有無等の情報は、掘削終了後に漸く知ることとなります。
圧潰リスクの軽減も他ではなく、そうした情報を基に最適なケーシングプログラム、ケーシング デザインに反映させられると言う事をご理解頂ければ幸いです。

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